Ze zeggen dat het de kleine dingen zijn die tellen en dat geldt zeker voor de kanalen in transmembraaneiwitten, die klein genoeg zijn om ionen of moleculen van een bepaalde grootte door te laten, terwijl u grotere objecten buiten houdt. Kunstmatige vloeibare nanokanalen die de mogelijkheden van transmembraaneiwitten nabootsen, worden zeer gewaardeerd voor een aantal geavanceerde technologieën. Echter, het was tot nu toe moeilijk om individuele kunstmatige kanalen van deze omvang te maken.

Onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) zijn erin geslaagd nanokanalen te fabriceren die slechts twee nanometer (2 nm) groot zijn. met behulp van standaard halfgeleiderproductieprocessen. Ze hebben deze nanokanalen al gebruikt om te ontdekken dat vloeistofmechanica voor dergelijke kleine doorgangen significant verschilt van niet alleen grote kanalen, maar zelfs van kanalen die slechts 10 nanometer groot zijn.

"We waren in staat om ionentransport in onze 2-nm nanokanalen te bestuderen door de tijd- en concentratieafhankelijkheid van de ionengeleiding te meten, " zegt Arun Majumdar, Directeur van DOE's Advanced Research Projects Agency - Energie (ARPA-E), die dit onderzoek leidde terwijl hij nog een wetenschapper was bij Berkeley Lab. "We hebben een veel hogere snelheid van proton- en ionische mobiliteit waargenomen in onze beperkte gehydrateerde kanalen - tot een viervoudige toename ten opzichte van die in grotere nanokanalen (10 tot 100 nm). Dit verbeterde protonentransport zou de hoge doorvoer van protonen in transmembraan kunnen verklaren kanalen."

Majumdar is de co-auteur met Chuanhua Duan, een lid van de onderzoeksgroep van Majumdar aan de University of California (UC) Berkeley, van een paper over dit werk, die in het tijdschrift werd gepubliceerd Natuur Nanotechnologie . Het artikel is getiteld "Anomalous ion transport in 2-nm hydrophilic nanochannels."

In hun krant Majumdar en Duan beschrijven een techniek waarbij uiterst nauwkeurig ionen-etsen wordt gecombineerd met anodische binding om kanalen van een specifieke grootte en geometrie te fabriceren op een silicium-op-glas-matrijs. Om te voorkomen dat het kanaal bezwijkt onder de sterke elektrostatische krachten van het anodische bindingsproces, een dikke (500 nm) oxidelaag werd op het glassubstraat afgezet.

"Deze depositiestap en de volgende hechtstap garandeerden een succesvolle kanaalafdichting zonder in te klappen, " zegt Duan. "We moesten ook de juiste temperatuur kiezen, spanning en tijdsperiode om een ​​perfecte hechting te garanderen. Ik vergelijk het proces met het koken van een biefstuk, je moet de juiste smaakmaker kiezen, evenals de juiste tijd en temperatuur. Het afzetten van de oxidelaag was voor ons de juiste smaakmaker."

De kanalen ter grootte van een nanometer in transmembraaneiwitten zijn van cruciaal belang voor het regelen van de stroom van ionen en moleculen door de externe en interne wanden van een biologische cel, die, beurtelings, zijn cruciaal voor veel van de biologische processen die de cel ondersteunen. Net als hun biologische tegenhangers, vloeibare nanokanalen kunnen een cruciale rol spelen in de toekomst van brandstofcellen en batterijen.

"Verbeterd ionentransport verbetert de vermogensdichtheid en praktische energiedichtheid van brandstofcellen en batterijen, ", zegt Duan. "Hoewel de theoretische energiedichtheid in brandstofcellen en batterijen wordt bepaald door de actieve elektrochemische materialen, de praktische energiedichtheid is altijd veel lager vanwege intern energieverlies en het gebruik van inactieve componenten. Verbeterd ionentransport kan de interne weerstand in brandstofcellen en batterijen verminderen, wat het interne energieverlies zou verminderen en de praktische energiedichtheid zou verhogen."

De bevindingen van Duan en Majumdar geven aan dat ionentransport aanzienlijk kan worden verbeterd in hydrofiele nanostructuren van 2 nm vanwege hun geometrische opsluiting en hoge oppervlakteladingsdichtheid. Als voorbeeld, Duan citeert het scheidingsteken, het onderdeel dat tussen de kathode en de anode in batterijen en brandstofcellen wordt geplaatst om fysiek contact van de elektroden te voorkomen en tegelijkertijd vrij ionentransport mogelijk te maken.

"Huidige separatoren zijn meestal microporeuze lagen bestaande uit een polymeermembraan of een niet-geweven stoffen mat, ", zegt Duan. "Een anorganisch membraan ingebed met een reeks hydrofiele nanokanalen van 2 nm zou kunnen worden gebruikt om stroomscheiders te vervangen en de praktische kracht en energiedichtheid te verbeteren."

De 2-nm nanokanalen zijn ook veelbelovend voor biologische toepassingen omdat ze het potentieel hebben om te worden gebruikt om fysiologische oplossingen direct te controleren en te manipuleren. Huidige nanofluïdische apparaten maken gebruik van kanalen die 10 tot 100 nm groot zijn om biomoleculen te scheiden en te manipuleren. Vanwege problemen met elektrostatische interacties, deze grotere kanalen kunnen functioneren met kunstmatige oplossingen, maar niet met natuurlijke fysiologische oplossingen.

"Voor fysiologische oplossingen met typische ionconcentraties van ongeveer 100 millimolair, de Debye-screeninglengte is 1 nm, ", zegt Duan. "Omdat elektrische dubbele lagen van tweekanaalsoppervlakken elkaar overlappen in onze 2-nm nanokanalen, alle huidige biologische toepassingen die in grotere nanokanalen worden gevonden, kunnen worden overgebracht naar 2-nm nanokanalen voor echte fysiologische media."

De volgende stap voor de onderzoekers is om het transport van ionen en moleculen te bestuderen in hydrofiele nanobuisjes die nog kleiner zijn dan 2 nm. Ionentransport zal naar verwachting nog verder worden verbeterd door de kleinere geometrie en sterkere hydratatiekracht.

"Ik ontwikkel een anorganisch membraan met ingebedde sub-2 nm hydrofiele nanobuis-array die zal worden gebruikt om ionentransport in zowel waterige als organische elektrolyten te bestuderen, ' zegt Duan. "Het zal ook worden ontwikkeld als een nieuw type separator voor lithium-ionbatterijen."